连拱隧道二次衬砌结构破坏试验研究
【摘 要】 本文通过几何比1／20相似模型试验，对Ⅱ类围岩条件下连拱隧道二次衬砌结构破坏的力学行为进行了研究，通过研究提出了作者对连拱隧道二次衬砌的认识，为设计施工提供参考。
【关键词】连拱隧道；二次衬砌；模型试验
1前言
在高等级公路及市政道路的建设中，为获得良好的技术经济效果，大量采用了双连拱隧道方案【1】。但在我国，连拱隧道尚为新型隧道结构，已建成的连拱隧道数量极少，缺乏可借鉴的设计施工经验。从目前国内其他省市在建中的为数不多的连拱隧道工程来看，在施工中均不同程度地出现了开挖过程中围岩坍坍、已修筑的衬砌产生大面积裂缝、衬砌接头处严重漏水、工程造价难于控制等问题”。随着连拱隧道的大量出现，连拱隧道的综合修建技术就成为当前亟待研究解决的课题。
现阶段我国的隧道设计基本以新奥法作为指导理论【3】【4】，设计时除少数情况使二次衬砌在施工阶段和运营初期承受一定比例的荷载外，大部分将初期支护作为施工阶段和隧道运营初期的承载体系进行
考虑，而将二次衬砌作为长期安全性储备，但设计时如何确定二次衬砌的厚度具有较大的主观性，为了研究二次衬砌在隧道长期安全性中发挥的作用，本文作者在国内首次采用几何比1／20的相似模拟试验对跨度为2Sm左右的4车道双连拱隧道的二次衬砌进行了结构破坏试验，以此探明二次衬砌在隧道长期安全性中发挥的作用。
2 模型试验
2.1试验原型
研究以金(华)丽(水)温(州)高速公路二期工程中的21座Ⅱ类围岩条件下的连拱隧道为试验原型，围岩的参数值按《公路隧道设计规范》(JTJ026--90)并参照《铁路隧道新奥法指南》偏低范围取值，具体取值为：凝聚力0．18MPa、内摩擦角28度、弹性模量1．4GPa、容重17．9kN／m。结构原型支护参数如图1所示。将自重应力场作为试验的原始地应力场。
2．2相似材料
试验以几何相似比Cl=20和容重相似比Cy＝1为基础相似比，根据相似理论推得各物理力学参数原型值与模型值的相似比。围岩材料采用特定比例的重晶石粉、石英眇、松香和凡士林的热融混合物模拟。这种混合材料在化学反应结束后，基奉不受温度和湿度的影响，以高压方法加压成型；二次衬砌采用水膏比为1：1．15的特种石膏材料，通过预制加工现场安装的方法模拟，其力学指标以实验值为准；二次衬砌钢筋采用直径4mm的铁质材料通过原型与模型在拱部和边墙部等效抗弯刚度EI和中墙部等效抗拉刚度EA完全相似的方法进行模拟。
2．3试验装置
全部试验在专门制作的台架式钢板试验模型槽内进行。试验模型槽用两组180工字钢对模型槽前后进行约束，使试体处于平面应变状态，模型尺寸为4．3mx 3．7mx0．48m，试体尺寸为1．25mx0．60mx0．48m。试验装置及试体的概要图如图2。
图2 模型试验装置概要
2.4测量系统
(1)洞室周边径向位移
在洞室周边典型位置布置测点，用千分之一精度的差动变压器式位移计进行量测。
(2)二次衬砌内力
在衬砌内、外侧对称布设环向电阻应变片方式测读内外侧应变值，以此获得内外侧的应变后计算出二次衬砌的截面内力。
(3)围岩与支护间接触压力
在洞室周边典型位置布置测点，用精密土压力盒进行量测。各次试验的测点布置见图3所示。
2．5试验系列
本次试验共做了三组试验，每组试验的具体情况为
(1)二次衬砌主筋量比设计值少30％。
(2)二次衬砌主筋量与设计值相同。
(3)二次衬砌主筋量比设计值多30％。
2．6试验加载方法
将预先加工好并布置了量测系统的二次衬砌模型埋人横向宽度为2．8m的地层相似材料中，结构的上部覆土深度为20cm，下部深度为95cm，然后在地层相似材料的上面加上底部宽度为20cm的承载梁，承载梁的长度为2．8m。在承载梁的上面使用两个千斤顶通过传力柱用精密稳压台进行分级加载，载荷从0m自重土柱高开始，每级载荷在前一级载荷的基础上增加相当于原型10m自重土柱高的载荷增量，每级载荷加上以后，观测试验管片的位移、变形和破坏情况，并做好记录，当管片的位移趋于稳定以后，整个量测系统采集一次数据，作为该级载荷下管片的量测结果，然后再增加一级载荷，整们D载过程一直持续到试验管片出现肉眼能见到的较大的裂缝(大约1mm)，结构完全破坏为止。
3试验结果与分析
3.1内力变化规律
二次衬砌的内力(弯矩和轴力)随着荷载的增加而增加，在弹性阶段，二次衬砌的内力随荷载的增加基本呈线性增加趋势，但在刚开始的几级荷载内，每级荷载二次衬砌的内力增加值较后几级每级荷载的大，在相同的条件下，二次衬砌结构的配筋率越大，其内力值也越大，但从量值上考擦，由配筋率的不同产生的内力差异(最大主筋配筋率与最小主筋配筋率情况相比)在30％以内，根据以上的试验现象，可以得出在加载过程中承受荷载的不只是二次衬砌本身，除了二次衬砌以外，围岩也分担一部分荷载，其分担比例随结构配筋率的增大而减小，但其变化范围不会超出30％；结构的最大弯矩出现在拱顶和仰拱两个部位，同时拱顶和仰拱部位结构的轴力值又相对较小，对结构而言拱顶和仰拱应为最不利位置，在设计和施工时，应作为控制面。图4和图5为试验2二次衬砌右洞拱顶和仰拱内力随荷载的变化情况；图6和图7 3J--组试验在等效土柱为80m的荷载时结构的内力值。
图4 右洞拱顶和仰拱弯矩变化图
图5 右洞拱顶和仰拱轴力变化圈
3.2位移变化规律
二次衬砌的位移随着荷载的增加而增加，在结构处于弹性阶段，二次衬砌的位移随荷载的增加基本呈线性增加，相同的载荷条件下，二次衬砌的刚度越大其位移值越小。图8为三组试验在等效土柱为80m荷载时结构的位移值。结构的最大位移值出现在拱顶和仰拱两个部位，故在设计和施工中，拱顶和仰拱的位移应作为控制位移面，现场的收敛标准应以拱顶和仰拱的收敛为依据。
3．3 破坏状态的描述
图8 80m土柱荷载时的位移图
试验管片在40~50m等效土柱载荷条件下出现了删、裂缝，随着荷载的增加，每增加一级载荷裂缝宽度和条数都有所增加，在结构出现的裂缝较多，宽度较宽的情况下停止了加载，停止加载时的荷载为100m等效土柱高。虽然每次试验的裂缝位置有所不同，但总的来说裂缝位置主要在以下部位：首先在拱顶或仰拱部位的内侧出现十分细小的纵向裂缝，随着载荷的增加裂缝向周围和外侧扩展延伸，裂缝的宽度和深度不断的增加；在拱顶或仰拱出现纵向裂缝的同时或稍后载荷‘隋况下，在中墙顶与两主洞相连接的雁形部的内侧、两侧拱脚和拱腰的外侧也出现十分细小的纵向裂缝，随着载荷的增加裂缝向周围和外侧扩展延伸，裂缝的宽度和深度也不断地增加；再加上1～2级荷载，结构的其他位置也出现纵向裂缝，并且裂缝很快地向周围和纵深扩展，宽度也急剧的增加，直至结构完全破坏。当管片出现裂缝以后，结构的内力和位移都出现了突变，在试验中为了更好地观测到裂缝和整个结构的破坏状况，继续对结构进行加载，在后面的加载过程中，各项试验值不能完全代表原型值。试验完成以后，拱顶和仰拱处的纵向裂缝完全管通，最大裂缝宽度1～2mm。图9为试验2试验结束后的衬砌破坏情况描述图。
图9 试验结束后二次衬砌结构破坏图
根据以上试验结果和分析，可得出如下结论：
(1)在加载过程中，承受荷载的不只是二次衬砌本身，除了二次衬砌以外，围岩也承受了一部分荷载；围岩承受的荷载划、与二次衬砌的结构的配筋率有直接关系：当二次衬砌的配筋率相对较大时，围岩承受的荷载相对较小；反之，围岩承受的荷载相对较大；但结构的配筋率对结构内力的影响不会超过30％。
(2)二次衬砌的最大内力值在拱顶和仰拱两个部位，因为在具体的设计和施工中，仰拱施作完后还要回填并施作路面系统等，仰拱的细小裂缝不会对结构产生太大的影响，在设计和施工中，应将拱顶的内力作为控制面。二次衬砌从出现裂缝到隧道坍坍，需要一定的载荷增量，故在隧道初期出现裂缝时，结构还有一定的承载能力。
(3)二次衬砌的最大竖向位移值出现在拱顶和仰拱两个部位，最大水平位移出现在拱腰部位，拱顶和仰拱的位移应作为控制位移面，现场的收敛标准应以拱顶和仰拱的竖向收敛和拱腰的水平收敛为依据。
参考文献
【1】何川，林刚，张志强．连拱隧道的主要修改技术问题和对策．现代隧道技术（增刊）2002
【2】刘洪州，黄伦海 连拱隧道设计施工技术研究现状 西部探矿工程，2001(1）：54-55
【3】关宝树 隧道力学概论成都：西南交通大学出版社，1991
【4】铁道部第二勘测设计院主编 铁路工程设计技术手册隧道(修订版)．北京：中国铁道出版社，1999
